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摘要：当今绝大多数的彩涂板生产线为溶剂型辊涂工艺,其排放的废气严重污染大气,是形成雾霾的原因之一。介绍了一种新型绿色环保的彩色涂层板生产新工艺,分析了该机组的技术亮点。通过传统溶剂辊涂生产工艺与粉末喷涂工艺的对比,从工艺、能耗及运营成本、产品性能、环境影响等方面作了详细分析,指出了粉末彩涂板的广阔发展前景。
关键词：彩涂板;绿色环保;粉末彩涂;溶剂辊涂;
1前言
彩色涂层板简称彩涂板,是以冷轧钢板、镀锌钢板或铝板等金属板为基板,经过表面预处理,继而以连续方式敷上涂料,最后经过烘烤和冷却而制成的产品[1,2,3]。彩涂板具有轻质、美观和良好的防腐蚀性能,广泛用于建筑、造船、车辆制造、家具、电气、装饰等行业。然而从20世纪40年代至今,彩涂板问世已有近80年的历史,生产方式基本上沿用溶剂涂料辊涂[4]的生产工艺。该生产工艺最大的优点是可以高速均匀地涂覆,实现大规模生产,从而适应经济发展对彩涂板的大量需求。但采用溶剂涂料辊涂的方式存在严重的污染问题,溶剂涂料中含有易挥发的苯、甲苯、二甲苯、醋酸丁酯、丙酮等刺激性有毒物质。在传统的彩涂机组生产时,几百米以外就能闻到刺鼻性气味,不管防护措施如何严谨,机组恶劣的生产环境很难改变。尽管目前很多彩涂板生产厂在机组中增加了废气废液处理装置,但仍有残余的有害物质排到大气及土壤中,另外燃烧的废气又会产生大量的二氧化碳。目前,随着国家环保督察越来越严格,对VOC排放的限制越来越严,彩涂行业急需寻找一种可替代溶剂涂料辊涂生产的新型环保工艺技术。
2粉末静电喷涂的工艺特性
20世纪50年代,法国人发明了粉末静电喷涂工艺,即让作为成膜物质的粉末涂料带上静电,然后吸附在零电位的金属板表面,免去溶剂作为稀释、均匀物的作用[5,6,7]。目前这种方式大量应用于低速吊挂喷粉生产线上,其具有如下优点:
(1)环保节能:粉末涂料不含有机溶剂;
(2)涂装效率高:一次性喷涂可达到溶剂涂料的2~3倍涂覆厚度;
(3)可回收利用:粉末涂料的回收率可达到98%,不会产生难以处理的废液;
(4)温度范围广:粉末涂料的涂装不受气温和季节的影响,涂装操作简单,容易掌握;
(5)涂层性能优:粉末涂料属于热固性涂料,所含树脂成分的分子量大,涂膜的物理力学性能和耐化学介质性能等都比溶剂或水性涂料好;
(6)涂层表面好:粉末涂料没有溶剂挥发过程,不会产生因大量气体挥发造成的缩孔。
但是用静电喷涂进行连续卷材生产有很多困难,难以进行大规模商业生产。欧洲市场到目前为止仅有10多条卷材连续粉末喷涂生产线,工艺段线速度一直没能突破30m/min,与现在主流的辊涂彩涂线m/min工艺速度相距甚远。其难点有:
(1)首次着粉率低:严重影响涂覆效率;
(2)固化瓶颈:传统粉末涂料固化时间长,需要20min甚至更长时间,导致固化炉长度加长,机组提速困难;
(3)双面双色:粉末在空气中是漂浮的物体,板带上下两面形成不同颜色的粉末容易干扰混色;
(4)换色困难:更换涂料颜色及品种需要的清洁时间比油性或水性涂料要长,降低了机组连续作业效率;
(5)薄涂困难:粉末涂料涂层较厚,一般在40μm以上,远大于辊涂彩涂板10μm左右的涂层厚度,增加了生产成本;
(6)气障问题:板带高速运行时,带动板带周边气流扰动,影响喷涂效果;
(7)开发投入大:试验费用及试制成本高,试验机组昂贵,并且风险巨大。
3新型绿色环保彩涂机组
3.1机组特点
中冶京诚工程技术有限公司通过多年开发,于年11月为国内某彩涂板公司成功投产了一条高速粉末彩涂板生产线,该机组生产速度达到80m/min,远超国外30m/min的水平。该生产线工艺流程为:开卷─剪切─缝合─入口活套─预处理─喷涂─烘干─冷却─出口活套─剪切─收卷,见图1。
传统的溶剂彩涂线工艺流程为:开卷─剪切─缝合─入口活套─预处理─初涂─烘干─精涂─烘干─冷却─出口活套─剪切─收卷,见图2。两者相比,最大的区别在工艺段,辊涂机组的工艺段是二涂二烘(也有三涂三烘),而粉末彩涂机组工艺采用单涂单烘即可实现要求,其具有以下特点:
(1)高速喷涂:机组工艺段速度达60~m/min;
(2)双面双色喷涂:实现正反两面不同颜色的涂层;
(3)高着粉技术:首次着粉率80%以上;
(4)薄涂技术:工作面涂层厚度可以控制到25μm;
(5)涂层厚度自动控制:涂层厚差控制在±5μm;
(6)快速固化技术:采用辐射固化,环保节能;
(7)快速换色技术:30min内完成设备的换色清洗;
(8)高安全性能:防火防爆的多重安全保护。
3.2机组能耗及运营成本
由于两种机组的前后段设备大致相同,运营成本的差别主要体现在涂敷固化区。从理论计算来看,两种机组的吨钢涂料用量大致相同,如果跟溶剂彩涂机组的低端涂料相比,目前的粉末涂料价格会高20%。但由于粉末机组省去焚烧炉,工艺段能耗比溶剂机组节省了40%。另外溶剂彩涂板的涂层干膜厚度通常为25μm,粉末彩涂板的涂层干膜厚度最薄为45μm,也就是说粉末机组的吨钢产出质量会比溶剂机组的要高,加上粉末机组为单涂单烘,用水量、人工、涂敷辊损耗量等均可有所节省,因此粉末机组的综合运营成本与溶剂机组相比基本持平甚至还稍低一些。另外,随着今后粉末高速卷材生产线的推广,粉末涂料的用量会大幅上升,相应涂料的价格会随之下降,因此粉末彩涂机组的综合运营成本的趋势是越来越低。
3.3彩涂板性能比较
溶剂型机组的辊涂工艺对基材有一定要求,基本限制为平面基板,而粉末涂料的静电喷涂对卷材产品拥有更大的灵活性,由于粉末型机组属于非接触式喷涂,基材表面不受限制,可以是平板、穿孔板以及浮雕金属压印板等,膜厚可以喷涂到μm以上,这些特性都是溶剂型机组难以实现的。
粉末彩涂板的涂膜性能测试在硬度、柔韧性、耐刮和耐候性方面尤为突出,其他性能也全部达到国家彩涂板标准,表1为两种产品性能的比较。
3.4环境影响
目前溶剂涂料的固体成分质量分数普遍为45%~50%左右,辊涂时还要加入稀释剂,上漆率只有30%~40%。这意味着彩涂板在运输、贮存及涂装过程中有50%~70%的涂料不能附着在带材上,而变成废漆淤浆或VOC排入大气。这些废淤浆的处理十分困难,而VOC不仅对人体有害,还是导致雾霾的原因之一。另外溶剂型彩涂板产品表面残留的VOC废气完全释放期为2年以上,因此发达国家从年前后就开始限制包括油漆在内的有机溶剂型涂料的使用,并对家具、室内装修用料对大气排放的VOC量设置了严格的限制,美国海关近期已经颁布严禁进口由溶剂型彩涂板成型的五金家电产品的条例。
粉末涂料在运输、贮存和喷涂过程中无污染物排放,只在固化过程中有0.8%的VOC释放,完全可以通过碳吸附形式完全处理掉。另外,其一次上粉率可以达到80%以上,过喷的粉末经过回收系统回收到供粉桶中,与新粉按一定比例混合后重新使用,其综合利用率超过98%。即便是剩余的2%废粉,也可由粉末生产企业回收,重新加工后再用,真正实现了涂装“三废”的零排放。表2为两种工艺对环境影响的对比。
4前景
目前我国工业涂装以及涂料行业的总VOC产生量和CO2总排放量还是成倍地高于发达国家(地区)的水平,在环保和节能减排方面均落后于北美、欧洲地区。我国多条溶剂型彩涂板生产线每年所用涂料加稀释剂就向大气排放VOC约40多万吨,部分正规生产企业将有机溶剂收集后经过焚烧所产生的CO2也超过多万吨。随着我国环保要求越来越严,溶剂彩涂生产工艺的更新换代迫在眉睫,绿色环保也已被确定为国家经济工作的重中之重,我国计划用10~15年时间,对传统涂料产业实行新技术嫁接与改造,最终将溶剂涂料的市场份额缩减至1%以下。当前,我国正在计划出台绿色环保商标政策,对符合环保要求的绿色产品施行绿色商标认证,对认证通过的产品提供税收等方面的优惠,鼓励企业采用绿色环保的方式生产产品,这进一步给粉末静电高速喷涂技术的发展提供了广阔的空间。另外,卷材粉末彩涂预涂板可以替代目前家电行业广泛采用的冲压吊挂喷涂的彩涂板,大幅提高生产效率,前景广阔。
来源：《扎钢》刘鹏，李鸿波
参考文献
[1]李鸿波,李绮屏,韩志勇.彩色涂层钢板生产工艺与装备技术[M].北京:冶金工业出版社,.
[2]戴毅刚.从“遇见”到“预见”浅谈彩色涂层钢板的几个发展机会[J].轧钢,,32(6):1.
[3]张译中.彩涂板市场发展及国内外主要厂家对比[J].轧钢,,21(3):35.
[4]蔡长生,袁玉梅.马钢新建彩色涂层钢板生产线的技术特点[J].轧钢,,23(6):35.
[5]白剑,李绮屏.卷材粉末连续涂敷工艺现状与展望[J].冶金设备,(s1):71.
[6]南仁植.粉末涂料与涂装技术[M].北京:化学工业出版社,.
[7]黄有为,俞剑峰.卷钢涂料技术发展及其应用[J].上海涂料,,45(4):1.